基于MATLAB 的2FSK通信系统仿真的设计与实现.docx

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1、绪论1. 1 MATLAB 简介MATLAB 是 MATrix LABoratory 的简称,矩阵实验室（MATrix LABoratory）是一款商业数学软件，美国The MathWorks公司出品。它在很多方面都有应用且有很多的功能，深受大家的欢迎。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB不仅可以用来创建用户界面而且可以调用其它语言（包括C, C+和FORTRAN）编写的程序。MATLAB主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink 一种仿真工具，它具有可视化这种便捷的功能，它基于MATLAB的框图设计环境，在动态系统的建模和仿真等方面应用的十分广泛。

2、确切的说，Simulink是一个软件包，但是它在动态系统的分析中，可以建模，仿真并且可以进行分析，它对于线性和非线性系统均适用，并且不仅可以用于连续时间模型，也可以用于离散时间模型，甚至可以是两者的混合。MATLAB有以下几大优势：1）具有高效的数值和符号计算功能，可以使用户摆脱复杂的数学分析；2）编程环境简单，但却提供了比较完备的调试系统，程序可以免于编译直接运行，并且可以及时地对错误进行报告，还能够分析出错的原因；3） C+语言是时下最为流行的语言，而新版本的MATLAB语言正是基于这个基础上的,所以它的语法特征与C+语言是非常相似的，因此它相对是比较简单的，也满足科技人员在数学表达式书写

3、方面的要求，非计算机专业的人员使用起来也更加方便。而MATLAB能够深入到各个领域的科学研究及工程中去，与它本身语言可移植性好、可拓展性强这些优点是分不开的。4） MATLAB包含了大量的计算算法。并且拥有的数学运算函数可以应用到600多个工程中，可以很好的实现各种用户所需要的计算功能；5） 它的图形处理功能已经十分完备,能够实现计算结果和编程的可视化；6） 漂亮的用户界面和接近自然语言的数学表达式，使它更容易为用户学习和掌握；7） 它拥有的应用工具箱（如信号处理工具箱、通信工具箱）等可以使用户获得了大量方便实用的处理工具，深受人们的喜欢。1.2通信系统通信简而言之就是传递消息，通过各种方法克

4、服距离的障碍，实现消息的传递。信息源产生消息，消息有多种不同的表现形式，语音，文字，图形，数据等等都是消息。消息分为两种：模拟消息（如语音、图像等）和数字消息（如数据、文字等）。然而，如果想在通信系统中传输则所想传输的消息必须转换成电信号（通常简称为信号）。所以，信号不仅仅是传输消息的手段，也是消息的物质载体。同样地，可将信号分为模拟信号和数字信号两大类，模拟信号的幅度必须是连续的，但自变量却既可以是连续的，也可以是离散的，比如电话、电视、摄像机输出的信号。然而如电传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号。它们的幅度必须是离散的，但自变量却与模拟信号一样，可以连续也可以离散,近年来，通信技术，

5、特别是数字通信技术发展的非常迅速，它被应用在各种领域，发挥了很大的作用。通信从本质上讲就是一门实现信息传递的科学技术，它在把信息无失真的，高效的进行传输的过程中，还要将那些没有用的，甚至是有害的信息消除掉。目前，通信在信息科学技术领域已经不可或缺了。通信的发展史简介 远古时代，书信是远距离传递消息的主要方式，花费时间长是这种通信方式的最大缺点。为了提高传递消息的效率与质量，人们不断地尝试各种最新技术手段以寻的更大的进步。1837年电通信开始，在这一年，莫尔斯发明了莫尔斯电磁式电报机，之后，研究电并用以通信取得了长足的进步与发展。1866年跨大西洋的越洋电报通信就是利用海底电缆实现的。1876年

6、贝尔发明了电话，它比电报更加方便交流，实现了把电信号用于语音信号的有线传递，因此，信号的传递变的更加迅速，更加准确，这也标志着模拟通信的开始，直到20世纪前半叶，电话这种采用模拟技术的通信工具比电报得到了更加广泛的应用。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制则标志着电信号进入了数字通信时代。之后出现了集成电路、电子计算机等，这使得数字通信发展的更加快速。在90年代中期数字移动电话基本替代了 70年代末在全球发展起来的模拟移动电话，现在，数字电视也逐渐在替代目前的模拟电视。高速、大容量等方面的优势，同时也使人们看到数字通信未来的发展。到20世纪，随着晶体管的出现与普及、集成电路、无线通信的迅速发展。

7、特别是在第20世纪下半叶，随着发射人造地球卫星，大规模集成电路的出现，电子计算机和光导纤维和其他现代技术成果，在以下这几个方面通信技术都取得了很大的成就：（1）由于微波中继的问世，长距离、大容量的通信问题得到了解决。（2）人们可以随时随地的通信，则是由于移动通信和卫星通信的出现的结果。（3）之后出现的光导纤维使通信容量得到了进一步的提高。（4）电子计算机的出现使通信技术又一次重大的飞跃，人们也借助现代电信网和计算机的融合，成功地实现了将世界变成了地球村的愿望。所有的技术设备和所需的传输媒体信息传输和就是通信系统，它由五部分组成，具体如图1-1所示为通信系统的一般模型。图1T通信系统一般模型通信

8、系统可分为两类：数字通信系统和模拟通信系统。通信系统中通常采用数字信号来传输信息的是数字通信系统，具体如图2所示为其模型：图1-2数字通信系统模型而通信系统中采用模拟信号来传达信息的就是模拟通信系统，如图13所示模型。图1-3 模拟通信系统模型将数字通信系统与模拟通信系统相比较，可以看出数字通信系统的抗干扰能力比模拟通信系统更加强、而且数字通信系统更加方便加密、也更加容易实现集成化、并且与计算机连接也更方便。因而，对于通信技术越来越高的要求，数字通信系统更容易满足。在近几十年的发展中，数字通信系统在通信领域占据了愈来愈重的地位，并且，在很多时候已经取代了模拟通信系统，逐渐成为了通信技术中的主流

9、。基带传输和带通传输是数字信号传输的两种方式。但事实上，由于通信信道具有带通特性大部分不能直接传输到基带信号。为了使带通系统中数字信号传输，数字基带信号就必须被调制到载波上，这样的信道与信号的特征就相匹配了。因此，数字调制是利用数字基带信号控制载波，以实现数字基带信号与数字带通信号相转换的过程。数字解调则是与数字调制相反，数字解调是在接收端还原数字基带信号的过程。数字调制有三种基本方式：振幅键控(ASK).频移键控(FSK)、相移键控(PSK)o本文介绍的是二进制频移键控(2FSK)。2 2FSK的基本原理及实现数字调制采用的是一些分立的状态载波信号来表示的信息的传输，以便在接受端检测调制在一

10、个载波信号上的离散调制参数。数字调制信号同时也叫做键控信号。二进制频移键控是用在频率变化的二进制数字信号控制正弦波，因此，它随二进制数字信号的变化而变化。因为二进制数字信息是只有0和1这两个不同的码元，所以fl和f2的调制后的调制信号只有两个不同的频率，fl对应的数字信息为“1”，则f2只能对应的数字信息为“0”。其表达式为：/fs/)=(2-1)A cos (卯+ 内)Acos(692r + r)发送“1”时发送“0”时如图2-1所示为二进制数字信息和调制载波。0o 02FSK信号2. 1 2FSK的产生2FSK信号主要有模拟调频法和键控法这两种产生方法，模拟调频法是比较早期的调频方法，键控

11、法现在运用的比较多，键控法即是通过对开关电路在基带矩形脉冲序列的控制下，对两个不同的独立电源门控，从而是每一个符号周期输出fl和f2两个载体。这两种方法产生的2FSK信号有一定的差异，它们的差异主要是相邻码元之间的相位的变化，键控法由于是通过电子开关控制两个独立的频率源，达到其相互转换的目的，因此，它的相邻码元之间的相位不一定是连续的，而调频法产生的2FSK信号的相位则是一定的。键控法产生2fsk信号的原理如下图2-2所示：fl图2-2产生2FSK信号的键控法原理图如图2-2所示，频率发生器分别为这两个独立的振荡器，输入的二进制信号可以控制这两个频率发生器工作。通过两个与门电路的二进制信号，控

12、制着使其中的一个载波通过。如图2-3所示为调制器各点波形图：akasib32(orcos(wl t*6n)d cos(w2t*on)s l(t) co s(vlt*8nFSK(/) = &SK(7)%+尸2ASK(/)L(2-2)V -图2-32FSK调制器各点波形由图2-3可知，波形g是波形e和f的叠加。所以，二进制调频信号2FSK可以被看作是在两个载频的2ASK信号分别为fl和f2的和。由于“1”、“0”统计独立，因此，2FSK信号功率谱密度等于这两个2ASK信号功率谱密度之和，即2FSK信号的功率谱如图2-4所示:图2-42FSK信号的功率谱由2fsk信号的功率谱图可以看出，2FSK信号

13、的功率谱密度是由连续谱和离散谱两部分组成的，位于两个载波频率fl和f2处的是离散谱，而连续光谱分布在载波频率fl和f2的附近，若计算带宽则我们应取功率谱第一个零点之间的频率间隔，显然2FSK信号的带宽为为了节约频带，同时也能区分fl和f2,通常取|ff2|=2fs,因此2FSK信号的带宽为2FSK=/1 火+戈MA当fl-f2 |二fs时; 2FSK的功率谱不再是双峰而变成单峰，此时带宽为-2FSK= %力|+第=3工对于单峰的功率谱的2FSK信号，可以使用动态解调的过滤器。在这里我们介绍双峰的功率谱的2FSK信号的解调。2. 2 2FSK的解调及抗噪声性能2. 2. 1 2FSK的解调原理二

14、进制频移键控的解调原理是通过带通滤波器将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号后分别解调，然后进行抽样判决。这里的抽样判决是直接由判决器比较这两个抽样值的大小，可以不专门设置门限。并且，抽样判决的规则和调制规则是相对应的，调制时的规定直接影响抽样判决的结果，若规定频率fl和f2分别对应符号“1”和“0”，则接收时上支路的样值较大时，应判为“1”；反之则判为“0。2fsk的解调方法主要有相干和非相干解调。2.2.2 2FSK的非相干解调原理：将已调2FSK数字信号分别经过两个频率不同的带通滤波器fl、f2,从而达到过滤的目的，滤除一些有干扰的信号，然后再将经过滤波处理的信号分别输入包络检波器进行

15、检波，最后进行过检波的这两种信号将同时被输入到取样判决器里，与此同时还需要在外边加入抽样脉冲，最后输出的信号就是经过调制解调后的原基带信号。其原理图如图2-5所示。图2-5 非相干方式原理图2. 2.3 2FSK的相干解调因为2fsk调制信号是由fl和f2两个载波调制成的，所以相干解调需先用两个不同的频率的带通滤波器来过滤已调信号，然后将经过滤波处理后的信号分别与相应的本地载波fl、f2相乘，然后再使它们分别通过低通滤波器，然后将抽样信号输入到抽样判决器进行判决即可。其原理如图2-6所示。图2-6相干方式原理图此外，解调信号，还有其他的方法，如鉴频方法，差分检测方法，过零检测方法。过零检测法是通过检测过零点数目的多少来区分两个不同频率的信号码元的。2.2.4 2FSK的抗噪声性能这里我们对同步检测法的系统性能进行分析。在2fsk信号的发送端，一个码元的持续时间内，产生的信号为：(2-6)4 co